Исследование ультразвукового метода на основе волн Лэмба для встроенного контроля металлических конструкций

0

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение

высшего образования

«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ

ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

___________________________________________________________________

 

 

 

Институт    физики высоких технологий

Кафедра    Материаловедение в машиностроении

 

 

 

 

ОТЧЕТ

по научной исследовательской работе

На тему

Исследование ультразвукового метода на основе волн Лэмба для встроенного контроля металлических конструкций

 

 

 

 

 

 

Выполнил: студент гр. 4БМ52                         Горбунов А.В.

 

"____"_______2015 г.                ______________________

 

 

 

 

 

 

 

Научный руководитель к.т.н. ММС                  Бурков М.В.

___________                                          __________________________

(оценка)                                                                                                                (подпись)

______   ______________ 20    г.

 

 

Принял: к.т.н ММС                                         Ваулина О.Ю.

 

___________                                          __________________________

(оценка)                                                                                                                (подпись)

______   ______________ 20    г.

 

 

 

     

Томск  2015 г.

 

Содержание

 

Введение

3

1.      Литературный обзор

5

1.1. Ультразвук

5

1.1.1. Распространение ультразвука в твёрдом теле

5

1.1.2. Волны Лэмба 

6

1.2. Неразрушающий контроль

8

        1.2.1. Классификация методов неразрушающего контроля

9

1.2.2. Акустические методы контроля

12

   
   
   

2 Испытания ультразвукового метода с использованием
волн Лэмба

14

2.1. Статические механические испытания

14

    2.2. Циклические механические испытания

20

Заключение

25

Список использованной литературы

26

 

 

 

Введение

 

Неразрушающий контроль (НК) всегда являлся и остается очень важной проблемой на всех этапах жизненного цикла машиностроительных изделий. Существует множество методов НК различной физической природы, с помощью которых можно эффективно обнаруживать дефектные детали из металлов и композитов на этапе производства. Контроль в процессе эксплуатации представляет собой более сложную задачу: так, необходима остановка эксплуатации, возможно, потребуется разборка, что приводит к финансовым потерям. При этом практика контроля показывает, что дефекты обнаруживаются в очень малом количестве изделий, в остальных же контроль фактически проводится впустую. Однако, расширить интервалы контроля не представляется возможным, так как конструкции, в которых дефекты все-таки успели зародиться, могут разрушиться непосредственно в процессе эксплуатации, что неприемлемо, например, для аэрокосмической отрасли, нефтегазовой и нефтехимической промышленности и др.

В последнее время внимание сообщества ученых и инженеров, работающих в сфере НК, переключается на решение проблем, связанных с созданием систем встроенного контроля (Structural Health Monitoring – SHM) [1]. Данная концепция основана на внедрении в конструкцию комплекса чувствительных элементов, регистрации информации на протяжении всей эксплуатации и ее анализа с помощью программных средств для своевременного обнаружения повреждений и ремонта. Несомненным плюсом такого подхода является возможность расширить интервалы планового контроля, если система не регистрирует изменений, превышающих некоторое пороговое значение. Исследуются различные варианты таких систем встроенного контроля, например, системы оптоволоконных тензодатчиков, измеряющих деформацию конструкции. Принятие решения о наличии/отсутствии повреждений происходит на основании сравнения базового отклика (неповрежденной конструкции) со значениями, полученными в некоторый момент в процессе эксплуатации. Такие системы должны записывать информацию на протяжении всего времени работы (для самолёта, например, в течение всего полета). Другим подходом к реализации SHM является сеть ультразвуковых (УЗ) датчиков, интегрированных в конструкцию, и использующихся для прямого активного обнаружения дискретных дефектов (расслоений углепластиков, трещин в металлах и др.). При этом непрерывный мониторинг не является обязательным, более того в процессе эксплуатации он может быть затруднен из-за шумов и вибраций (для авиационной техники регистрация первичной информации может проводиться после определенного количества полетов). Другие типы систем позволяют регистрировать уровни нагрузок на протяжении эксплуатации и расширить интервалы планового контроля [2].

Существует множество методов встроенного неразрушающего контроля, которые разрабатываются в настоящее время. Например, контроль с использованием оптоволоконных датчиков [3]. Быстроразвивающейся технологией в этом направлении является метод акустического встроенного контроля с использованием пьезопреобразователей [4], которые способны обнаруживать как отдельные дискретные дефекты (расслоений углепластиков, трещин в металлах и др.), так и проводить интегральную оценку состояния материала.

 

 

 

1Литературный обзор

1.1. Ультразвук (У)

 

  Ультразвук -упругие волны с частотами прибл. от (1,5-2)·104 Гц (15-20 кГц) до 109Гц (1 ГГц); область частот упругих волн от 10 до 1012-1013 Гц принято называтьгиперзвуком .По частоте У. удобно подразделять на 3 диапазона: У. низких частот (1,5·104-105 Гц), У. средних частот (105-107 Гц), область высоких частот У. (107 - 109 Гц). Каждый из этих диапазонов характеризуется своими специфич. особенностями генерации, приёма, распространения и применения.

Свойства ультразвука и особенности его распространения. По физ. природе У. представляет собой упругие волны, и в этом он не отличается от звука, поэтому частотная граница между звуковыми и УЗ-волнами условна. Однако благодаря более высоким частотам и, следовательно, малым длинам волн (так, длины волн У. высоких частот в воздухе составляют 3,4·10-3-3,4·10-5см, в воде-1,5·10-2-1,5·10-4см, в стали - 5·10-2- 5·10-4см) имеет место ряд особенностей распространения У.

Малая длина УЗ-волн позволяет в ряде случаев исследовать их распространение методами геометрической акустики. Это даёт возможность рассматривать отражение, преломление, а также фокусировку с помощью лучевой картины [5].

 

1.1.1. Распространение ультразвука в твёрдом теле.

 

Ультразвуковые колебания перемещаются в форме волны, подобно распространению света. Однако в отличие от световых волн, которые могут распространяться в вакууме, ультразвук требует упругую среду такую как газ, жидкость или твердое тело.

Разновидности ультразвуковых волн

Большинство методов ультразвукового исследования использует либо продольные, либо поперечные волны. Также существуют и другие формы распространения ультразвука, включая поверхностные волны и волны Лэмба.

Продольные ультразвуковые волны – волны, направление распространения которых совпадает с направлением смещений и скоростей частиц среды.

Поперечные ультразвуковые волны – волны, распространяющиеся в направлении, перпендикулярном к плоскости, в которой лежат направления смещений и скоростей частиц тела, то же, что и сдвиговые волны.


Рисунок  1 – Движение частиц в продольных и поперечных ультразвуковых волнах.

 

1.1.2. Волны Лэмба 

 

Упругие волны, распространяющиеся в твёрдой пластине (слое) со свободными границами, в к-рых колебательное смещение частиц происходит как в направлении распространения волны, так и перпендикулярно плоскости пластины. Л. в. представляют собой один из типов нормальных волн в упругом волноводе - в пластине со свободными границами. Т. к. эти волны должны удовлетворять не только ур-ниям теории упругости, но и граничным условиям на поверхности пластины, картина движения в них и их свойства более сложны, чем у волн в неограниченных твёрдых телах.

Л. в. делятся на две группы: симметричные s и антисимметричные а. В симметричных волнах движение частиц среды происходит симметрично относительно ср. плоскости z=0 (рис. 1, а), т. е. в верх. и ниж. половинах пластины смещение и по оси химеет одинаковые знаки, а смещение w по оси z - противоположные. В антисимметричных волнах движение частиц антисимметрично относительно плоскости z=0 (рис. 1, б), т. е. в верх. и ниж. половинах пластины смещение и имеет противоположные знаки, а смещение   - одинаковые. В пластине толщиной 2h при частоте   может распространяться определ. конечное число симметричных и антисимметричных Л. в., отличающихся одна от другой фазовыми и групповыми скоростями и распределением смещений и напряжений по толщине пластины. Число волн тем больше, чем больше значение   , где сt- фазовая скорость сдвиговых волн.

Рисунок  2- Схематическое изображение движения частиц среды в пластинах при распространении в них симметричной (а) и антисимметричной (б) волн Лэмба; стрелками показано направление смещений по осям x и z.

 

 

 

1.2. Неразрушающий контроль (НК)

 

Подавляющее количество деталей и конструкций в процессе эксплуатации подвергаются действию внешних факторов, которые способны вызвать снижение их рабочих характеристик, частичное повреждение или выход из строя. В ряде случаев подобные последствия могут привести к экологическим и техногенным катастрофам и авариям и обусловливать значительные потери средств и времени для их устранения. Для решения данной проблемы используются современные средств диагностики, которые основаны на различных физических принципах.

В основу классификации методов неразрушающего контроля (НК) положены физические процессы взаимодействия физического поля или вещества с объектом контроля. С точки зрения физических явлений, на которых они основаны, выделяют девять видов неразрушающего контроля: магнитный, электрический, вихретоковый, радиоволновый, тепловой, оптический, радиационный, акустический и проникающими веществами. Каждый из видов контроля подразделяют на методы по рассматриваемым признакам.

Характер взаимодействия поля или вещества с объектом. Взаимодействие должно быть таким, чтобы контролируемый признак объекта вызывал определенные изменения поля или состояние вещества. Например, наличие несплошности вызывало бы изменение прошедшего через нее излучения или проникновение в нее дробного вещества. В некоторых случаях используемое для контроля физическое поле возникает под действием других физических эффектов, связанных с контролируемым признаком. Например, электродвижущая сила, возникающая при нагреве разнородных материалов, позволяет контролировать химический состав материалов (термоэлектрический эффект).

Первичный информативный параметр – это конкретный параметр поля или вещества (амплитуда поля, время его распространения, количество вещества и т.д.), изменение которого используют для характеристики контролируемого объекта. Например, наличие несплошности увеличивает или уменьшает амплитуду прошедшего через нее излучения.

Способ получения первичной информация подразумевает конкретный тип датчика или вещества, которые используют для измерения и фиксации упомянутого информационного параметра.

 

1.2.1. Классификация методов неразрушающего контроля

Вид контроля

 

Методы контроля

По характеру взаимодействия физических полей или проникающих веществ с ОК

По первичному информативному параметру

 

По способу получения первичной информации

 

1

 

2

 

3

 

4

 

Магнит-ный

 

Магнитный

 

Коэрцитивной силы

Намагниченности

Остаточной индукции

Магнитной проницае­мости

Эффекта Варкгаузена

Магнитопорошковый

Индукционный

Феррозондовый

Эффект Холла

Магнитографический

Пондеромоторный

Электри-ческий

 

Электрический

Трибоэлектри-ческий

Термоэлектри-ческий

 

Электропотенциальный

Электроемкостный

 

Электростатический порошковый Электропараметричес­кий

Электроискровой

Экзоэлектронной эмис­сии

Шумовой контакт разности потенциалов

Вихре-токовый

 

Прошедшего поля

Отраженного поля

 

Амплитудный

Фазовый

Частотный

Спектральный Многочастотный

Трансформаторный

Параметрический

Радио-волновый

 

Прошедшего излучения

Отраженного излучения

Рассеянного излучения

Резонансный

 

Амплитудный

Фазовый

Частотный

Временной

Поляризационный

Геометрический

 

Детекторный (диодный)

Болометрический

Термисторный

Интерференционный

Голографический

Жидких кристаллов

Термобумаг

Термолюминофоров

Фотоуправляемых по­лупроводниковых плас­тин

Калориметрический

Тепловой

 

Тепловой контактный

Конвективный

Собственного излуче­ния

Термометрический

Теплометрический

 

Пирометрический

Жидких кристаллов

Термокрасок

Термобумаг

Термолюминофоров

Термозависимых пара­метров

Оптический интерфе­ренционный

Калориметрический

Оптичес-кий

Прошедшего излучения

Амплитудный

Интерференционный

 

Отраженного излучения

Фазовый

 

 

Рассеянного излучения

Временной

Голографический

 

Индуцирован-ного излучения

Частотный

Рефрактометрический

 

 

Поляризационный

 

 

 

Геометрический

Визуально-оптический

 

 

Спектральный

 

Радиа-ционный

Прошедшего излучения

Плотности потока энергии

Сцинтиляционный

 

Рассеянного излучения

 

Ионизационный

 

Активационного анализа

 

Вторичных электронов

 

Характеристического излучения

Спектральный

Радиографический

 

Автоэмиссион-ный

 

Радиоскопический

Акусти-ческий

Прошедшего излучения

 

Пьезоэлектрический

 

Отраженного излучения

 

 

 

Резонансный

Амплитудный

Электромагнитно-акустический

 

Импедансный

Фазовый

 

 

Собственных колебаний

Временной

Микрофонный

 

 

Частотный

Порошковый

 

Акустико-эмиссионный

Спектральный

 

Проника­ющими веществами

Молекулярный

Жидкостный

Яркостный (ахроматический)

 

Капиллярный

Газовый

Цветной (хроматический)

 

 

 

Люминесцентный

 

 

 

Люминесцентно–цветной

 

 

 

Фильтрующихся частиц

 

Молекулярный

 

Масс-спектрометрический

 

Течеискания

 

Пузырьковый

 

 

 

Манометрический

 

 

 

Галогенный

 

 

 

Радиоактивный

 

 

 

Катарометрический

 

 

 

Высокочастотного разряда

 

 

 

Химический

 

 

 

Остаточных устойчивых деформаций

 

 

 

Акустический

Таблица 1 – Классификация методов неразрушающего контроля

 

2.2.2.  Акустические методы контроля

 

Акустическими методами называют методы, основанные на использовании упругих колебаний и волн любых частот. Методы, использующие частоты от 20 кГц до 100 Мгц, называют ультразвуковыми.

Упругая волна представляет собой процесс распространения возмущений в среде в результате действия механических сил, происходящий благодаря упругому взаимодействию частиц среды.

В жидкостях и газах распространяются лишь продольные волны. В безграничных твердых телах могут существовать только продольные и поперечные (сдвиговые) волны. В продольных волнах направление колебательного движения частиц среды совпадает (или противоположно) с направлением распространения волны, в поперечных - перпендикулярно этому направлению.

В ограниченных твердых телах могут распространяться также волны других типов. Из них основное значение имеют: поверхностные волны (волны Рэлея), нормальные волны в слоях (волны Лэмба), изгибные волны, нормальные стержневые волны (волны Похгаммера).

Поверхностные волны распространяются по свободным поверхностям твердых тел в слое толщиной порядка длины волны. Частицы среды движутся по эллиптическим траекториям.

Волны Лэмба возбуждаются в слоях (листах, стенках труб и т.п.) и имеют волноводный механизм распространения. Скорость распространения этих волн зависит от толщины слоя и частоты. Симметричные s и антисимметричные а моды волн отличаются симметричным и антисимметричным движениями относительно среднего сечения слоя (рис. 3.1). Различные моды волн распространяются с разными скоростями. Изгибные волны есть частный случай антисимметричных волн Лэмба нулевого порядка, когда длина волны намного больше толщины слоя.

Стержневые волны во многом сходны с волнами Лэмба. Они также делятся на симметричные и антисимметричные и имеют множество мод.

Скорости продольных, поперечных и поверхностных волн в большинстве материалов не зависят от частоты. Скорости волн в пластинах и стержнях зависят от произведения толщины изделия на частоту. Это явление называют дисперсией скорости.

Скорости распространения волн всех типов определяются плотностью r среды и ее упругими составляющими. Формулы для скоростей распространения основных типов волн приведены в табл. 2.

Среда распространения

 

Тип (название) волны

Характеристика волны

Скорость распространения

Жидкость или газ

 

Продольные (растяжения-сжатия)

Периодические расширения и сжатия среды

 

 

Безграничное твердое тело

Продольные (растяжения-сжатия, безвихревые)

Частицы колеблются в направлении распространения

Волны

 

 

Поперечные (сдвига, эквиво-люминальные)

Частицы колеблются в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны

 

Поверхно-сть полубез-граничного тела

Поверхностные (Рэлея)

Волна распространяется по поверхности тела

 

Бесконечная пластина толщиной h

Изгибная

Изгиб пластины со сдвигом

 

 

Нормальная симметричная (мода So волны Лэмба)

Продольные колебания с изменением поперечных размеров

 

 

Бесконеч-ный стержень диамет-ром d

Продольные (растяжения-сжатия)

Продольные колебания с изменением поперечных размеров

 

Таблица 2. Типы волн

 

Примечание. Здесь К - модуль всестороннего сжатия; Е - модуль упругости; n - коэффициент Пуассона; w - угловая частота; r - плотность; l - длина волны. [6].

 

  1. Испытания ультразвукового метода с использованием
    волн Лэмба

2.1. Статические механические испытания

 

Исследование УЗ метода проводили при статических и циклических испытаниях на одноосное растяжение образцов алюминиевого сплава Д16Т. Образцы были выполнены в виде лопатки, размеры которой представлены на Рис. 3. Статические испытания проводили на электромеханической машине Instron 5582 (Рис. 4), при скорости перемещения подвижного захвата 0,3 мм/мин. Для генерации и регистрации УЗ волн применяли пьезопреобразователи AW1E12G-190EFL1Z (диск пьезокерамики диаметром 9 мм и толщиной 0,19 мм на металлической подложке диаметром 12 мм и толщиной 0,20 мм). ПП приклеивали с помощью эпоксидного клея 3M Scotch-Weld DP490, при этом испытания проводили после полной полимеризации (для данного клея – 7 суток). Для исследований применяли три ПП, один из которых выступал в роли излучателя (ПП1), а два других в роли приёмника (ПП2, ПП3). На излучатель подавали сигнал от генератора сигналов специальной формы AWG-4105. Использование указанного генератора позволяло формировать сигналы с амплитудой до 10 В и частотой до 500 кГц. В качестве тестового сигнала использовали 5 периодов синусоиды, модулированной окном Хэннинга (Рис. 5).

 

Рисунок 3- Чертеж образца, схематически показано положение пьезопреобразователей.

 

Рисунок 4- Универсальная испытательная машина instron 5582

 

Регистрацию сигналов производили с помощью цифрового осциллографа Handyscope HS4, максимальная частота дискретизации которого составляет 5 МГц при разрешении 12 бит. Для получения наилучшего соотношения сигнал/шум производили усреднение по 100 сигналам. Помимо регистрации сигнала с приемных ПП, один из каналов Handyscope HS4 использовался для синхронизации работы с генератором сигналов.

Для проведения исследований было разработано программное обеспечение для управления генератором и осциллографом, формирования и записи необходимых сигналов. Все регистрирующиеся сигналы обрабатывались полосовым фильтром с параметрами 10-800 кГц. Выделение происходило пороговым методом по синхросигналу от генератора.

Было проведено 2 типа экспериментов. В первом было использовано ступенчатое нагружение образца с регистрацией сигналов в захватах испытательной машины, но при отсутствии растягивающей нагрузки на образце. Таким способом оценивалось влияние деформации клеевого слоя, остаточной пластической деформации образца и захватов на прохождение сигналов. Во втором эксперименте статическое нагружение проводилось непрерывно, останавливая движение подвижного захвата на время записи сигналов, но, не снимая нагрузку, получая, таким образом, зависимости изменения прохождения сигналов от изменения НДС.

Для выбора частот сигналов, которые будут использованы в экспериментах, на одном из образцов провели запись серии тестовых сигналов с шагом 1 кГц в диапазоне от 10 до 400 кГц. В записанном сигнале определяли величину амплитуды, график зависимости значений которой от частоты представлен на Рис. 5. Данная зависимость характеризует, прежде всего, АЧХ применяемого датчика, которая производителем не предоставляется. Видно, что максимальное значение амплитуды на приемнике регистрировали на частоте около 335 кГц. Локальный максимум можно выделить на частоте около 50 кГц. Отметим, что две полученные кривые (1го и 2го ПП) достаточно хорошо соответствуют друг другу.

 

Время

 

Частота

Рис. 5. График зависимости амплитуды сигнала на приемнике от частоты. Указаны два направления от ПП 1 к ПП 2 (через толщину образца) и от ПП 1 к ПП 3 (через базовую длину). Справа показан пример синусоидального сигнала, модулированного окном Хэннинга, и его частотное распределение.

 

В данной работе, в первую очередь, исследуется возможность применения данной УЗ методики для характеризации деформации материала, а также микроструктурных изменений. Поэтому частоту выбирали по результатам, полученным для второй кривой 1→3, когда сигнал проходил через базовую длину образца: таким образом, для последующих испытаний были выбраны частоты соответствующие пикам 50 кГц и 335 кГц.

 

Рис. 6. Диаграмма σ-ε для эксперимента с пошаговым растяжением образца Д16Т.

На Рис. 6 показана диаграмма σ-ε для эксперимента с пошаговым растяжением образца Д16Т: до разрушения получено 34 точки, соответствующие заранее определенным нагрузкам, в которых нагружение останавливали, разгружали образец и записывали серию УЗ сигналов. Следует отметить, что удлинение измеряли встроенным датчиком испытательной машины, что вносило ошибку из-за деформации в области контакта захватов и образца. После достижения предела текучести (~300 МПа, 4,5-5 % удлинения) начинается пластическая деформация.

   

Рис. 7. График зависимости амплитуды сигнала от нагрузки (слева) и удлинения (справа).

 

Рис. 7 представляет собой зависимость амплитуды полученных сигналов с частотой 50 кГц (в разгруженном состоянии, образец зажат в захваты). Черная кривая (1→2) соответствует зависимости, полученной для сигналов прошедших через толщину образца от ПП1 к ПП2. Красная кривая (1→3) – амплитуда сигналов, прошедших через базовую длину образца. Видно, что для первой кривой амплитуда немного возрастает на первой стадии нагружения (~2 % удлинения), далее остается примерно постоянной до момента образования шейки, после чего происходи резкое падение амплитуды вследствие пластической деформации. Вторая кривая имеет другой характер: так амплитуда снижается примерно в 4 раза на начальной стадии упругости. Данный эффект может объясняться тем, что низкочастотные (50 кГц) волны Лэмба являются чувствительными к деформации образца в области захватов на первой стадии нагружения. Далее, после достижения предела текучести амплитуда остается постоянной до разрушения.

   

Рис. 8. График зависимости амплитуды сигнала от нагрузки (слева) и удлинения (справа).

 

На Рис. 8 показаны графики амплитуд записанных сигналов с частотой 335 кГц. На данной частоте ПП имеют максимум АЧХ, поэтому амплитуда составляет 0,42 В, в отличие от 0,18 В для частоты 50 кГц. Обе кривые имеют практически одинаковый вид, при этом до предела текучести, амплитуда практически не меняется. Далее происходит падение на 20 %, вследствие пластической деформации образца и образования шейки, а также микроструктурных изменений материала.

 

Рис. 9. Совмещенный график зависимости σ-ε и амплитуды сигнала с частотой 50 кГц.

 

На Рис. 9 показана диаграмма σ-ε, полученная при непрерывном (запись сигналов проводилась без разгрузки образца) одноосном растяжении образца Д16Т, совмещенная с графиком амплитуды записанных сигналов. Видно, что обе кривые имеют практически одинаковый вид, что позволяет сделать вывод о чувствительности используемой методики к разному НДС. В течение упругого нагружения амплитуда растет линейно, далее от предела текучести начинается нелинейная стадия из-за начала пластической деформации. Далее вплоть да разрушения наблюдается линейный рост амплитуды.

 

  • Циклические механические испытания

 

Для генерации и регистрации ультразвуковых волн применяли пьезопреобразователи AW1E12G-190EFL1Z (диск пьезокерамики диаметром 9 мм и толщиной 0,19 мм на металлической подложке диаметром 12 мм и толщиной 0,20 мм). Пьезопреобразователи (ПП) приклеивали с помощью эпоксидного клея 3M Scotch-Weld DP490, при этом испытания проводили после полной полимеризации (для данного клея – 7 суток). Для исследований применяли три пьезопреобразователя, один из которых выступал в роли излучателя, а два других в роле приёмников, расположенных на противоположных сторонах образца. На излучатель подавали импульс от генератора сигналов специальной формы AWG-4105. Использование указанного генератора позволяло формировать сигналы с амплитудой до 10 В и частотой до 500 кГц. В качестве тестового сигнала использовали 5-периодную синусоиду модулированную окном Хэннинга с частотой 35 кГц. Частота сигнала 35 кГц совместно с толщиной образца 3 мм приводит к генерации нулевых мод волн Лэмба (A0 и S0).

Регистрацию сигналов производили с помощью цифрового осциллографа Handyscope HS4, максимальная частота дискретизации которого составляет 5 МГц при разрешении 12 бит. Для получения наилучшего соотношения сигнал/шум производили усреднение по 100 полученным сигналам. Помимо регистрации сигнала с приёмных ПП, один из каналов Handyscope HS4 использовался для синхронизации работы с генератором сигналов. Все регистрируемые сигналы обрабатывались полосовым фильтром с параметрами 10-800 кГц. Выделение сигналов происходило пороговым методом по синхросигналу от генератора.

Управление экспериментом осуществлялось в автоматическом режиме с помощью специально разработанного ПО, которое останавливало циклическое нагружение для записи сигналов с заданным интервалом циклов наработки. По полученным акустическим сигналам производился расчёт двух параметров, которые могли бы характеризовать общее состояние материала на каждом этапе циклического нагружения: максимальное значение огибающей сигнала, второй момент разности огибающих сигналов.

Вычисление верхней огибающей зондирующего УЗ-сигнала осуществлялось с использованием преобразования Гильберта в частотной области. Оценка амплитуды сигнала производилась по параметру максимального значения его огибающей. В работе данный параметр для краткости обозначается как MaxEnv или просто огибающая.

Второй момент разности огибающих сигнала позволяет оценить изменения, происходящие в УЗ-сигнале по мере изменения структуры материала и появлении дефектов. Для расчётов берётся первый сигнал, соответствующий образцу, находящемуся в исходном (недеформированном) состоянии. Второй сигнал для того же образца записывается в процессе проведения испытаний. Вычисляются огибающие полученных сигналов и их разность. После чего из разности таких огибающих вычисляется второй момент согласно [8]. В работе параметр обозначается как m2 или просто второй момент.

Форма сигнала и вейвлет преобразование.

На Рис. 10 представлены формы принимаемых сигналов для образца А на датчиках ПП2 и ПП3 до начала циклических испытаний, а так же их диаграмма вейвлет коэффициентов. Расположение абсолютного максимума сигнала на ПП3 в точке 265 отсчета (~53 мкс) точно соответствует абсолютному минимуму на ПП2, что однозначно говорит о том, что имеет место нулевая антисимметричная мода волны Лэмба (A0). Симметричной мода (S0) при такой частоте практически отсутствует и по амплитуде примерно равна шуму перед приходом антисимметричной моды. Кроме того малое расстояние между датчиком и генератором не позволяет идентифицировать симметричную моду, так как «разбег» двух мод (симметричной и антисимметричной) слишком мал и они накладываются друг на друга.

Анализируя изменения времени прихода антисимметричной моды, не удалось выявить существенных изменений по мере циклического нагружения. Такой результат объясняется, во-первых, малым расстоянием между генератором и датчиком, а во-вторых, размер дефектов, возникающих в алюминиевом образце, достаточно мал, чтобы они могли быть обнаружены волнами Лэмба на частоте 35 кГц.

 

   
   

Рис. 10 Форма принимаемого сигнала для ПП2 (сверху) и ПП3 (снизу) с левой стороны и Вейвлет анализ принимаемого сигнала для ПП2 (сверху) и ПП3 (снизу) с правой стороны

 

Максимальное значение огибающей сигнала. Для интегральной оценки параметров акустических сигналов использовалось значение максимальной огибающей получаемого сигнала. Данный параметр характеризует амплитуду сигнала и позволяет оценить изменения амплитуды по мере увеличения циклов наработки. Значения расчётных данных представлены в отсчётах. Зависимости максимального значения огибающей сигнала от величины наработки для двух образцов представлены на Рис. 11.

   

Рис. 11. Максимальное значение огибающей сигнала (слева – образец А, справа – образец Б)

 

Значение огибающей резко падает сразу после начала эксперимента. То есть на первом этапе испытаний за несколько тысяч циклов происходит множественное формирование дефектов, которые отрицательно сказываются на общей характеристике акустической проводимости материала. В дальнейшем происходит монотонное и не столь значительное падение амплитуды сигнала до самого разрушения в интервалах:

от 8590 до 7387 для образца А, сенсор ПП2 (суммарно 16%);

от 11361 до 9625 для образца А, сенсор ПП3 (суммарно 18%);

от 5366 до 4828 для образца Б, сенсор ПП2 (суммарно 11%);

от 8694 до 7539 для образца Б, сенсор ПП3 (суммарно 15%).

Стоит отдельно отметить, что значения амплитуды на датчиках, расположенных на противоположной стороне от генератора, выше, чем на датчиках, расположенных на одной стороне с генератором.

Второй момент разности огибающих сигнала. Второй момент характеризует изменение сигнала на каждом шаге измерения по отношению к базовому. По мере процесса циклического нагружения, происходит как образование дефектов, так и рост магистральной трещины, следовательно, степень искажения сигнала повышается по мере наработки, что отчётливо проявляется для датчиков ПП2 и ПП3 образца А и для ПП3 для образца Б. Значения расчётных данных представлены в отсчётах. Изменения параметра в абсолютных величинах имеет вид:

32290 – 76534 образец А, датчик ПП2 (130%);

188312 – 327038 образец А, датчик ПП3 (70%);

136671 – 147688 образец Б, датчик ПП2 (10%);

84373 – 124108 образец Б, датчик ПП3 (50%).

Поведение кривой второго момента для ПП2 образца Б не столь однозначно отображает происходящие в материале изменения, хотя и имеет восходящий тренд.

   

Рис. 12. Второй момент разности огибающих сигнала (слева – образец А, справа – образец Б)

 

 

 

 

 

Заключение

 

В ходе проделанной работы было изучено распространение ультразвуковых волн в пластине.

Проводя анализ расположения относительного расположения генератор-датчик, можно сделать вывод, что наибольшая чувствительность к структурным дефектам проявляется, когда датчик находится на противоположной от генератора стороне, при этом абсолютные значения при данном расположении значительно выше, чем в случае, когда датчик и генератор находятся на одной стороне образца.

На основании полученных данных можно сделать предварительное заключение о целесообразности использования ультразвукового контроля. Отдельно можно упомянуть и экономический аспект, генерация волн Лэмба является весьма энергоемким процессом, в сравнении с другими видами контроля. Поэтому исследования в сфере диагностики металлических конструкций ультразвуковом методом контроля, основанным на волнах Лэмба, является весьма перспективными.

 

 

 

Список литературы:

  1. P.J. Schubel, R.J. Crossley, E.K.G. Boateng, J.R. Hutchinson // Renewable Energy – 2013 – V.51 – P.113-123.
  2. P. Wang, T. Takagi, T. Takeno, H. Miki // Sensors and Actuators – 2013 – V.198 – P.46-60.
  3. S Minakuchi, Y Okabe, T Mizutani and N Takeda Barely visible impact damage detection for composite sandwich structures by optical-fiber-based distributed strain measurement // Smart Mater. Struct. 18 (2009) 9pp
  4. Qiu Lei, Yuan Shenfang, Wang Qiang, Sun Yajie, Yang Weiwei Design and Experiment of PZT Network-based Structural Health // Chinese J Aeronautics 22 (2009) 505-512.
  5. http://femto.com.ua/articles/part_2/4203.html
  6. Richard G. Lyons: Understanding Digital Signal Processing, Prentice Hall, 2004, ISBN 0-13-108989-7
  7. Myoungkeun Choi and Bert Sweetman, Efficient Calculation of Statistical Moments for Structural Health Monitoring // Structural Health Monitoring 9 (2010) 13-24.

Скачать: У вас нет доступа к скачиванию файлов с нашего сервера. КАК ТУТ СКАЧИВАТЬ

Категория: Курсовые / Курсовые машиностроение

Уважаемый посетитель, Вы зашли на сайт как незарегистрированный пользователь.
Мы рекомендуем Вам зарегистрироваться либо войти на сайт под своим именем.